02中频焊接控制器原理侧重电路原理.docx

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02中频焊接控制器原理侧重电路原理

1、中频焊接控制器基本原理

中频点焊焊接控制器的主要作用就是把工频三相电源转换为稳定的中频单相电源，电压从380V（线电压380V，相电压220V，线电压=

倍的相电压）提高到514V（三相桥式整流，不包含滤波，输出电压为1.35倍的线电压，即380*1.35=514V），频率从50Hz提高到1000Hz以上，再通过焊接变压器转换和整流，变成需要的直流电流供点焊焊接使用。

上述原理称为中频逆变直流，其电路原理图如下图所示：

图1中频逆变直流电路原理图（使用ProtelDXP制图）

图1的电路中实现逆变的关键元件是IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管），这种器件利用制作集成电路的方法，由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面优点。

它可以承受高达数千伏的电压，并且可以控制高达数千安培的电流。

2、三相桥式整流基本原理

图2三相桥式整流电路

首先分析整流电路，整流电路把三相交流电转变为直流电，就是由六个整流管组成的全波整流电路，三相全波整流电路如图2所示。

一般三相全波桥式整流电路已经做成了集成化电路，成为一个固定电压、固定电流的三相全波整流块。

它的输入端接上50Hz、380V线电压的三相交流电，它的输出端就会有整流后的直流输出。

为了分析整流电路的工作原理在图3中画出了三相的相电压的图（只体现三相电源各相之间的相角关系，未体现三相电频率）。

作用在6个整流二极管上的电压是线电压，也就是

，

，

。

这里线电压的波形相当于任意一瞬间

两个相电压相减。

图3三相电压输入波形（使用Matlab制图）

将波形图提取出来，如图4所示。

图中所标注的点划线为

时刻示意。

分析1—6号整流二极管导通的情况：

对于1、2、3号二极管，有一端接在一起（E+端口），当三相交流电作用在管子的另一端时，哪个二极管能导通取决于1、2、3三个整流管所接的电压哪个电位最高。

如图4所示，在

时刻，a相最高，a相导通后（即整流管1通）就把电压加到2和3整流管，这两个整流管受到了反向电压，就是E+点电压高于b相，和c相电压，所以2与3整流管都截止。

对于E-端，4、5、6整流管接在了一起，哪一个管子导通，取决于a，b，c三相哪一相电位最低。

由图4可见，在

瞬间c相的电压最负，则这一瞬间c相连接的6号二极管导通，一旦6导通就使E-的电位变为最负（二极管管压降忽略不计），整流管4与整流管5都截止。

在这一时刻由于

为负值，所以（E+）—（E-）之间的电压就是

，其他时刻类似。

图4三相交流电的电压图

图4中，由A点向B点的过程中，a相作用于E+对2、3号二极管的截止作用逐渐减弱，并在经过B点之后由b相代替；在B点到C点的过程中，c相作用于E-对4、5号二极管的截止作用逐渐减弱，并在经过C点后由a相代替。

如此周而复始的导通，在E+和E-之间形成了一个直流电压，这个电压就是三相整流后的电压，需要用积分的方式求取平均值。

图5三相交流电平均整流电压分析（图片使用Photoshop处理）

如图5所示，以闭区间

为例，对于a相的1号二极管，一个周期中只在此范围内导通，即计算a相整流电压

只需要在此区间进行积分。

电路的负向回路分别由b相和c相导通。

根据单一时刻

可知，只需求取b相或c相在此区间内有效导通的时段的积分

或

，并与

相加即可（积分可认为是波形在区间内与X轴围成的面积，为正，固不再多考虑绝对值）。

积分结果如下：

…………

（1）

式

（1）中

为a相整流电压，

为三相交流电电压峰值，

为有效值，且满足关系

。

而

或

的积分结果如下：

…

（2）

…………………（3）

式

（2）中

为b相整流电压，式（3）中

为三相整流后的电压，约为

。

经过三相桥式整流以及滤波，将电源从三相正弦波形转换为单向直流波形，再通过IGBT的开关电路，将电源从直流波形转换为方波，且将频率提升到1000Hz以上，输出给焊钳上携带的焊接变压器，实现逆变。

3、中频焊接的优点分析

3.1电流效率高

交流焊接有过零转换，其间会损失一定的能量，而直流电源持续加热，能快速得到所需要的热量，电流效率提高20%左右。

3.2焊接核心大

直流焊接获得的焊核比交流大和宽，特别适合多层不等厚板焊接。

3.3焊接一致性高

数据表明：

交流的波动范围达到35%左右，而直流的波动在3%左右。

直流焊接的一致性提高了10倍。

3.4中频焊接的其他优点

三相供电平衡：

对网络的冲击小；

功率因素高：

几乎达到100%；

焊接电流精确：

控制精度提高了20倍；

节能：

能节约20%的能量；

工作范围宽：

20%-95%范围都能工作，比交流的50%-85%的范围提高了1倍以上；

此外还可以忽略交流回路的感抗问题；

3.5工频和中频比较表

对比项目/焊机类型

工频、整流焊机

50Hz

中频焊机（600-2000Hz）

焊接规范

响应速度为20ms，电流达到设定值所需的时间长；单相工频焊机两相输入，参数不稳定；三相工频焊机很难实现恒流输出。

响应速度为1ms，电流能够更快地达到设定值，能更多、更准确的分析参数；三相均衡输入，参数稳定；恒流控制效果很稳定。

焊接质量

焊接飞溅大，表面质量控制较中频焊机困难。

由于频率高达1000Hz，次级电流输出能力强，且波形平直，溶核尺寸稳定的范围扩大。

几乎不产生飞溅，且焊接初级阶段电流呈自然递增，焊点表面质量好。

适应性

适应材料范围小，铝合金以及铝等导热快、焊接性差的材料无法进行很好的焊接。

适用多种材料的焊接，如铝合金以及铝等导热快、焊接性差的材料也可焊接。

另外，对于镀锌板和普通多层板的焊接，其焊接质量也远高于工频焊机的焊接质量。

变压器

变压器尺寸大，输入功率高。

变压器尺寸小，输入功率低。

能源利用率

两相输入，工作时很难保证相电压之间的均衡，功率因数低，约为0.6~0.7。

三相负荷均衡，功率因数高达0.9以上；节能（根据美国通用汽车公司的报告，中频点焊比工频点焊每焊接一点节省4美分）。

辅助材料利用率

电极使用寿命短，消耗量大；用气用水量大。

没有明显的峰值电流和飞溅，缩短了焊接时间，电极使用寿命长；效率比AC提高,尤其在一些高速缝焊中应用。

4、硬件构成

中频焊接控制器的硬件及软件组成部分列如下简表：

中频焊接控制器（MFTimer）

机器人用

手工悬点用

主要器件

备注

组成部分

备注

主基板单元

主基板单元

整流单元

整流单元

IGBT逆变单元

IGBT逆变单元

漏电保护单元

漏电保护单元

焊钳压缩空气单元

焊钳冷却水单元

附属器件

附属器件

冷却单元

冷却单元

箱体

箱体

网络接口单元

网络接口单元

其它部分

其它部分

编程器（复位器）

编程器（复位器）

编程软件

编程软件

自适应单元

自适应单元

5、关键性能指标

性能指标

解释

恒定电流控制

该功能有利于提高焊接电流控制精度。

恒功率控制

该功能有利于提高焊接参数控制精度，动态补偿焊接电流和焊接时间，提高焊接质量。

输出电流频率

此参数表示可以匹配的焊接变压器的频率范围。

输出电流值

该值反映了焊接控制器对焊钳输出控制电流的能力。

控制器冷却方式

水冷或空冷。

编程器（复位盒）

故障复位方式。

6、安装工程

安装工程通常需要做以下这些工作。

1）首先请安装焊接控制器（焊接电源（400V）、焊接变压器（焊枪侧）的排线及冷却水、输入输出信号的配线等）。

2）电极间电压输出线配线。

3）使用分布式输入输出信号时，须进行步增复位输入信号线的配线。

注）即使不使用步增功能，为了清除学习数据，此信号线也是必须的。

7、目前主流品牌及价格分析

国别

欧系

日系

美系

品牌

价格相比，欧美系的价格比较高，日系的价格相对较低。

决定价格的因素主要在于以下几个方面：

1、产品的设计理念和技术含量；

2、产品的制造成本和管理成本；

3、产品的国产化率。

8、主要技术参数、评价指标及其检测方法

（1）焊接变压器：

容量、匝数比、重量；

（2）输入电源：

交流3相380V、50Hz，主空开100A；

（3）可设置的焊接规范条数：

不少于255条；

（4）电流步进：

步进序列不小于15，步进等级数不小于10级，步进打点数1～9999点，步进电流范围0～200%，步进复位方法为单独复位。

（5）冷却方式：

空冷或水冷，冷却效果满足柜内工作温升不超过25℃，优先选用空冷。

（6）控制柜柜体：

外观尺寸，接口、防护等级IP55（防外物侵入，不能完全防止灰尘侵入，但侵入量不影响正常工作；防止喷射的水侵入）。

9、使用年限

10、备件易损件